重磅！科學家發現使量子態壽命延長10000倍的方法

如果我們能利用它，量子技術將給人類科技帶來奇妙的新可能。但首先，科學家們需要誘使量子系統保持束縛狀態的時間超過幾百萬分之一秒。

芝加哥大學普利茨克分子工程學院的一個科學家小組宣布，他們發現了一種簡單的修改，可以使量子系統保持工作「相干」狀態——時間比以前長了10000倍。

儘管科學家們在一種稱為固態量子比特的量子系統上測試了他們的技術，但他們認為這項技術應該適用於許多其他類型的量子系統，從而可以徹底改變量子通信、計算和傳感。

這項研究發表在8月13日的《科學》雜誌上。

「這一突破為量子科學令人興奮的新研究奠定了基礎，」該研究的主要作者、Liew家族分子工程教授、Argonne國家實驗室高級科學家、芝加哥量子交易所主任David Awschalom說明了這一發現的廣泛適用性，再加上一個非常簡單的實現方式，使得這種穩健的相干性能夠影響量子工程的許多方面。

在日常生活中，從我們周圍的量子力學的角度來看，我們所看到的是不同層次的量子力學。這些不同的規則可能會轉化為幾乎不可破解的網絡或功能極其強大的計算機等技術，不過，基本的工程挑戰仍然存在：量子態需要一個非常安靜、穩定的空間來運行，因為它們很容易受到來自振動、溫度變化或雜散電磁場的背景噪聲的幹擾。

因此，科學家們試圖找到使系統儘可能長時間保持一致的方法。一種常見的方法是將系統從嘈雜的環境中物理隔離開來，但這可能是笨拙和複雜的；另一種技術是使所有的材料儘可能的純淨，這可能是昂貴的。

論文的第一作者、博士後研究員kevinmiao說：「我們的方法，我們不會試圖消除周圍環境中的噪音；相反，我們會『欺騙』系統，讓它認為它不會經歷噪音。」

在通常用於控制量子系統的電磁脈衝的同時，研究小組還施加了一個額外的連續交變磁場。通過精確地調節這個場，科學家們可以快速旋轉電子自旋，並允許系統「調諧」其餘的噪聲。

「為了了解原則，這就像坐在旋轉木馬上，周圍的人都在大喊大叫。當車靜止時，你可以很好地聽到聲音，但如果你快速旋轉，噪音就會模糊成背景。」

這一微小的變化使系統保持相干達22毫秒，比未經修改的系統高出4個數量級，而且比任何先前報導的電子自旋系統都要長得多。（舉個例子，眨眼大約需要350毫秒）。該系統幾乎可以完全調諧某些形式的溫度波動、物理振動和電磁噪聲，所有這些此前通常都會破壞量子相干性。

科學家們說，這個簡單的修複方法可以解開量子技術幾乎所有領域的發現。

「這種方法創造了一條通向可伸縮性的途徑，」Awschalom說這將使在電子自旋中存儲量子信息成為現實。延長存儲時間將使量子計算機能夠進行更複雜的操作，並允許從基於自旋的設備傳輸的量子信息在網絡中傳播更長的距離。」

儘管他們的測試是在使用碳化矽的固態量子系統中進行的，但科學家們相信這項技術在其他類型的量子系統中也會有類似的效果，比如超導量子比特和分子量子系統。這種多功能性對於這樣的工程突破來說是不尋常的。

「有很多量子技術的候選者被推到一邊，因為他們不能長期保持量子相干性，現在我們有了這種方法來大幅度提高連貫性，可以重新評估這些問題。最棒的是，這非常容易做到，其背後的科學是複雜的，但增加交變磁場的邏輯非常簡單。」研究人員說道。